„Образованието е богатство, приложението му – съвършенство.“

Определянето на местоположението на движещ се обект с помощта на релативистични частици е авангардна технология в областта на навигацията, известна най-вече като мюометрична позиционираща система (Muometric Positioning System – μPS или MuWNS). Тя разчита на космически мюони – естествени, високо енергийни субатомни частици, които се движат с релативистична скорост, изключително близка до скоростта на светлината във вакуум (\(\approx 0.9999999c\)).

Тази технология е фундаментална алтернатива на GPS/GNSS и се използва за прецизно определяне на координати в среди, където радиосигналите не могат да проникнат – дълбоко под земята, в тунели, мини или под водата.
Постиженията на ядрената физика и свързаните с нея приложни области на науката и технологиите се разглеждат в светлината на възможността за тяхното използване за повишаване на шумоустойчивостта, точността и автономността при определяне и изясняване на местоположението на движещи се обекти. Предоставени са данни за съществуващи разработки и тяхното приложение. Разглеждат се възможните перспективи за развитие на тази област.

Въведение. Знания, съществуващи от древни времена в областта на небесната механика и взаимодействията на материалните тела, както и открити през 18-20 век. явления (електромагнетизъм – 1800 г.; квантова теория за структурата на материята и принципа на несигурността по отношение на поведението на елементарните частици на материята – 1900 г.; свойства на въртящо се тяло да поддържа посоката на оста на въртене в инерционното пространство – 1700–1800 г.); лазерно лъчение – 1950 г.), създаде фундаменталните основи и до голяма степен посочи пътя за определяне на параметрите на движението на обекта без необходимост от често наблюдение на небесните тела и околните ориентири, както в случая на комбинация от методи за навигационно счисление и небесна навигация.

Създадената научна и практическа основа постави началото на нов метод и направление в навигацията – методът на инерционното счисление, инерционната навигация. Значенията и терминологията в областта на инерционната навигация като наука за методите за избор на пътя на движещ се обект, кораб, са посочени от материали и изследвания, според които целта на навигацията като наука може да се определи като намаляване на зоната на несигурност на местоположението на плавателния съд, докато преминава по своя път.

Основният източник на информация за определяне на параметрите на движението на кораба и неговото местоположение с помощта на инерционния навигационен метод са инерционните сензори: жироскопични (позволяват да се установи наличието на ъглово движение на кораба в инерционното пространство спрямо неподвижните звезди и да се определят неговите параметри ) и акселерометричени (позволяващи да се установи наличието на линейно ускорение на движението на кораба в инерционното пространство и да се определят неговите параметри). За постиженията и разнообразието на използваните инерционни сензори може да се съди от доста подробния преглед, даден в литературата, както и от данни от публикации, които по-специално говорят за постижения във физическата инсталация в космоса в условия на безтегловност на базата на криогенен жироскоп с безконтактно окачване на тежък ротор от кварцово стъкло (Станфордски университет, САЩ) нулев дрейф на сигнала на ниво 10-11 °/ ч.

Можете да си представите такава величина, като си представите стрелка на часовник с дължина, равна на радиуса на Земята, която, движейки се непрекъснато и равномерно през цялата календарна година, ще опише с края си дъга на повърхността на Земята, непревишаваща дължината от една десета от обикновен химикал.
Най-точният от жироскопите, които съществуват и се използват в производството на навигационни инструменти – жироскоп с безконтактно окачване на берилиев ротор, електростатичен жироскоп (ESG) – може да се съди от произведенията по въпроса. Анализът на данните позволява да се класифицират съвременните ESG, например създадените в САЩ, като жироскопи с ниво на точност 10-5 °/h. Работи се (САЩ, страни от ЕС, Китай) за създаване на свръхпрецизен жироскопичен сензор за вълни на материята с откриване на въртене чрез ефекта на Саняк, с остатъчно ниво на дрейф от 10-6–10-8 °/h: жироскоп, базиран на интерферометрия на атомен интерферометър със студен атом (температура 10-6K), CAI, включително тези, поставени върху чип и кондензати на Бозе-Айнщайн (BEC), температура 10-9K).

Сензорите за студени атоми се подобряват и вече се използват за научни изследвания в космоса, както и в метрологията: постигнато е ниво на точност на акселерометричните сензори за студени атоми от порядъка на 1–10 μGal, което до известна степен вече е достатъчна за измерване на градиентите на гравитационното поле на Земята (EGF), известен е проектът HYPER на Европейската космическа агенция (ESA). Работата предоставя така наречената технологична пътна карта (до 2025 г.) на етапите на очакваното развитие на технологиите за интерферометър със студен атом.

Говорейки за желанието да се постигне ниво на дрейф на жироскопа от 10-6–10-8°/h в навигационните инструменти, трябва да се отбележи, че такава цел изглежда непостижима без подходяща подкрепа от областта на фундаменталните науки, по-специално данни за формата на Земята и параметрите на нейното въртене.
Известно е, че грешките при определяне на позицията на плавателния съд при използване на метода на инерционното счисление или счисление по данни от магнитния компас и наземния скоростомер нарастват неограничено с времето. Въпреки постиженията и продължаващото, макар и сравнително бавно, развитие на елементната база на инерционната апаратура, са необходими външни средства за корекция (наричани по-долу ВСРК), за да се поддържат грешките при определяне на позицията в необходимите граници.

1. Съществуващи средства за корекция на инерционни системи
Като такива средства са използвани и се използват източници на различни сигнали както от естествен, така и от изкуствен произход, както и информация за параметрите на различни физически полета на Земята.
Средства за астрокорекция. По отношение на ВСРК може да се отбележи следното въз основа на известни сигнали от естествен произход. От 1950-1960-те години, за да се осигури корекция на навигационните системи на кораби и плавателни съдове във всяка зона на Световния океан, се използват такива средства като радиосекстант, прилагайки принципа на радиопеленгация на определяне на координатите на небесното тяло и впоследствие на координатите на местоположението на кораба. ВСРК данни, работещи с радиосигнали от Слънцето и Луната, впоследствие допълнени с оптични (навигация по звезди) и радиоканали (навигация по данни от вече съществуващи сателитни радионавигационни системи (РНС), осигурени на началния етап с приемлива точност (единици и части от дъгови минути (морски мили) и вероятността от корекция. Впоследствие, поради повишените изисквания за точност и секретност на местоположението, бяха необходими други ВСРК. Преди появата на широкообхватните РНС и глобалните навигационни сателитни системи (ГНСС), радиосекстантите всъщност бяха единственото средство за изясняване на местоположението в мащаба на Световния океан (рис. 1).

Рис. 1. Наблюдение с перископен радиосекстант

Радионавигационни средства.
С появата на РНС с широка зона през 1940-1960 г., включително Лоран-С (САЩ) и Чайка (СССР), зоната на покритие се увеличи до няколко хиляди километра от местоположението на референтните станции на системите. Впоследствие, с въвеждането в експлоатация на ГНСС: нискоорбитален Транзит (САЩ) и Цикада (СССР), средноорбитален NAVSTAR/GPS (САЩ) и ГЛОНАСС (СССР/Русия), интензивността на използване на ВСРК се увеличи рязко. Този факт се дължи на високата точност на позициониране (грешка от порядъка на 10 m, по-малко от 1 arcsec на земната повърхност или по-добре с вероятност P≈0,67) и практическа наличност във всяка зона на Световния океан.

В същото време точността на местоположението, осигурена от ГНСС, значително надвишава резултатите, постигнати в момента при прилагането на метода на инерционно счисление, дори и с използването на жироскопи тип ESG.
Текущото състояние на ГНСС се доказва от данни от Центъра за потребители на приложения GLONASS, което показва състава на навигационните спътници (NS) към януари 2023 г. за съществуващите ГНСС (GLONASS (Русия), GPS (САЩ), Galileo (Еврозона). държави), Beidou /Compass (Китай)). Вероятното значително увеличение на възможностите за координатно-времево осигуряване на чуждестранни ГНСС може да се посочи от техническите характеристики на такива постоянно актуализирани нискоорбитални системи като Starlink (вече са произведени повече от 4000 сателита и ~ 40 000 устройства са планирани до 2030 г.). Може да се предположи, че сега ситуацията със системите GPS и Starlink е противоположна на ситуацията в края на 90-те години, когато нискоорбиталният Transit (САЩ) беше изведен от експлоатация.

Говорейки за динамиката на развитие на РНС и техните функционални допълнения, препоръчително е да споменем други чуждестранни космически системи: Amazon Kuiper (~3000 сателита) и редица други. Въпреки това, въпреки подобрението на ГНСС (повишена устойчивост на шум при използване на антени със синтетична апертура, използването на пространствено филтриране на ГНСС сигнали, практическото използване на ГНСС е свързано с въздействието на много на естествена и умишлена намеса), наличието на които често прави невъзможно определянето на местоположението на съда.
Така по отношение на средствата за радиоастрокорекция, радионавигационните системи на базата на стационарни станции и орбитални НС е изминат значителен път от 60 години като продължителност и постигнати резултати. Въпреки това, поради спецификата на практическото приложение на посочения ВСРК, за да се намали влиянието на умишлените смущения, както и да се намали зависимостта на решението на навигационния проблем от приемането на външни сигнали на ВСРК, беше необходимо да се разработят други начини за изясняване на местоположението, главно при навигация в Световния океан и във въздушното пространство.

Инструменти за коригиране на физически полета. Като такива ВСРК се включват средства, разположени на кораба, които позволяват, въз основа на информация за параметрите на различни геофизични полета (ГФП), определени от тях, да се изясни местоположението на обект. Един от най-използваните методи за реализиране на навигация по ГФП е методът на корелационно-екстремалната навигация. Към ГФП се отнасят: магнитни, гравитационни, повърхностна топография, оптични, термични, радарен повърхностен контраст и др. В допълнение към естествените физически полета, които съществуват в мащаб по цялата Земя, изкуствени физически полета могат да бъдат създадени в ограничени области на пространството и времето. Източник на такива полета могат да бъдат системи от радиофарове: хидроакустични или радиоизотопни маяци на дъното или в приповърхностния слой, групи от наземни радиофарове или, на настоящия етап, групи от морски и въздушни необитаеми апарати.

Такива изкуствени полета се характеризират с проблеми поради възможното наличие на смущения и особеностите на разпространение на сигнала в околната среда. Определящият критерий за ефективността на използването на информация за ГФП е точността, с която координатите на кораба, непрекъснато оценявани чрез метода на инерционно изчисление, и вероятността за извършване на корекция могат да бъдат прецизирани. Точността на определяне на координатите на местоположението от данни за ГФП или изкуствено създадени физически полета до голяма степен зависи от грешките при определяне на параметрите на това конкретно поле и нивото на градиента на промените в потенциала на това поле. Стабилността на параметрите на ГФП във времето също е важна, което ясно се проявява, например, в случай на използване на магнитното поле на Земята за изясняване на местоположението.

Говорейки за пространствената променливост на ГФП за случая на гравитационните и топлинните полета на Земята, може да се отбележи, че променливостта на ГПЗ, обусловена главно от неговите аномалии, не е толкова значителна (на 80% от повърхността на Световния океан променливостта на ГПЗ е ниска) за решаване на проблема с навигацията в мащабите на Световния океан. Детекторът за ГПЗ може да бъде гравиметър или гравитационен градиометър. Особеностите на термичното поле на Земята включват факта, че то също има известна пространствена променливост, включително в Световния океан и на доста големи дълбочини. Характерът на градиента на температурното поле на Световния океан се доказва от изследвания в рамките на програмата AMIGO (Argo Model for Global Ocean Research) и глобалния експеримент Argo (Argo е един от централните елементи на Глобалната система за наблюдение на океана с разширяващ се набор от възможности. В литературата се предоставят примери за топлинно поле в рамките на модела AMIGO на дълбочини от ~2000 m.

На рис. 2 се показва схематична диаграма на организацията на интерфейса за взаимодействие по линията буй – наземна станция (мрежата Argo съдържа хиляди свободно плаващи буйове). Детектори в този случай могат да бъдат съответните термометрични сензори, разположени както на самия кораб, така и извън него.

Рис. 2. Буйове на системата Argo (един от буйовете Argo с диаграма на функционирането му е показан във водния стълб)

Представените резултати показват слаби градиенти на температурните промени във водния стълб. В същото време получените резултати показват нагряване на цялата маса на твърдата повърхност на Земята отвътре, а Световният океан представлява до 90% от общото топлинно отделяне на Земята. Общата енергия на топлоотделяне в Световния океан, получена от експеримента Арго, надхвърля 300 TW. Променливостта на температурното поле в Световния океан, която не е толкова важна за решаването на навигационния проблем, може да е следствие от факта, че по време на преноса на енергия от източници към земната повърхност възникват явления на проводимост и конвекция. Резултатите от изследвания показват градиентите на температурното поле вътре в Земята (рис. 3).

Рис. 3. 3D геотемпературен модел на кората на Баренцово море, изглед от север

Според проучвания, топлината, идваща от вътрешността на Земята, има предимно радиогенен характер, като основният дял от енергията идва от реакцията на разпадане на изотопа 40K. Този фундаментален резултат – енергиен поток от вътрешността на Земята, повече от 300 TW, е предсказан от модела на структурата на Земята, който също е в съответствие с явленията, докладвани в проучванията. Един от основните „носители” на енергия в този пряко достъпен за изследване радиогенен процес е релативистката частица неутрино (или неутрон, според името, дадено му от Е. Ферми през 30-те години на миналия век), наречена според мястото на нейното раждане – геонеутрино. По този начин, заобикаляйки явленията на конвекция и проводимост, се появява определен „транспортен агент“, който позволява получаването на информация директно от областта на енергийните трансформации в недрата на Земята. Имайки предвид интензивността на топлинния поток от вътрешността на Земята и неравномерността на нейната структура, можем да предположим наличието на градиенти, които са по-значими от температурното поле в Световния океан, с което се отварят нови възможности за навигация.

По отношение на характеристиките на съществуващите ВСРК можем да заключим, че те в реални условия на работа позволяват само случайна употреба за изясняване на местоположението, а използването на инерционни навигационни системи и метода на инерционно счисление с непрекъснат път на счисление (отчитане) в момента все още е без алтернатива според критерия точност/бързина на актуализиране на данните. Натрупаният практически опит в използването на различни ВСРК показва, че за постигане на качествено ново ниво трябва да се търсят нови възможности и път, като се разчита на нови начини за установяване на параметрите на вече известни и нови физични явления. Като такива начини се разглеждат използването на информация за свойствата на релативистичните частици, атомните и ядрените процеси и използването на сравнително наскоро открити нови физически явления. Това ще бъде обсъдено допълнително.